Vergleich und Optimierung von Duobinärmodulation und vierstufiger Phasenmodulation im WDM-Übertragungsexperiment

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 1

Lehrstuhl Technische Fakultät der

L N T

Vergleich und Optimierung von Duobinärmodulation und vierstufiger Phasenmodulation im

WDM-Übertragungsexperiment

Christoph Wree, Murat Serbay, Werner Rosenkranz

Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 2

L N T

Motivation

Ziele in der optischen Weitverkehrsübertragung:

• Steigerung des Datendurchsatzes (engerer Kanalabstand)

• Erhöhung der optisch-transparenten Länge

• Kosteneffizientes System mit hoher Toleranz gegenüber Signalverzerrungen

Bandbreiteneffiziente und interferenzfeste Modulationsformate ermöglichen:

• Höhere spektrale Effizienz

• Steigerung der optisch-transparenten Länge

• Unter Beachtung des Implementierungaufwandes

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 3

L N T

Gliederung

• Rückblick auf zwei vielversprechende bandbreiteneffizienten Modulationsverfahren – Duobinärmodulation (DB)

– Differentielle vierstufige Phasenmodulation (DQPSK)

• Experimentelle WDM-Umgebung für messtechnischen Vergleich bei hoher spektraler Effizienz hinsichtlich linearer und nichtlinearer Interferenzfestigkeit

• Diskussion der Unterschiede von DB und DQPSK gegenüber unterschiedlichen Interferenzeffekten

• Experimentelle Untersuchung von RZ-DQPSK gegenüber starker optischer Bandbegrenzung (resultierend aus wiederholtem Durchlaufen von optischen Multiplexern und Schaltern in zukünftigen optischen Netzen)

• Zusammenfassung

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 4

L N T

Duobinärmodulation (DB)

• Erfordert:

– Differentielle zweistufige Vorcodierung

– Tiefpaßfilterung des elektrischen Datenstroms (Grenzfrequenz: Viertel der Datenrate)

• Nutzen:

– Annähernde Halbierung des Datenspektrums – Kosteneffektive Implementierung

MZM

DATA

elektrischer Tiefpaß mit Grenzfrequenz f_b/4

Sender: Empfänger:

herkömmlicher Photoreceiver

Im

0 1

-1 Re

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 5

L N T

CW laser

2 x PRBS at 40Gb/s

40GHz clock

NRZ-DPSK RZ-DPSK

MZM MZM PM

differential 4-PSK precoder

RZ-DQPSK

d

_R

d

_I

b

_R

b

_I

{1,-1} {1,j,-1,-j}

delay compensation

Serielle differentielle vierstufiger Phasenmodulation

ℜ{s

BP(t)}

ℑ{s BP(t)}

d

_R

=0, d

_I

=0 d

_R

=0, d

_I

=1 d

_R

=1, d

_I

=0

d

_R

=1, d

_I

=1

imag{

sBP

(t)

}

real{s

_BP(t)}

Signal in komplexer Zahlenebene j

-j -1

1 binär (M=2)

vierstufig (M=4)

• Erfordert:

– Differentielle vierstufige Vorcodierung – Zusätzlichen Phasenmodulator

– Optisches Mach-Zehnder-Interferometer vor Photodiode zur Demodulation

• Nutzen:

– Vierstufenverfahren mit hoher spektraler Effizienz – RZ Pulsform verbessert Dispersionstoleranz

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 6

L N T

Experimenteller Senderaufbau für 20Gb/s RZ-DQPSK

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 7

L N T

Differentielle vierstufige Phasenmodulation (Empfänger)

• Autokorrelierender DQPSK Empfänger erlaubt die Detektion ohne Lokaloszillator keine Synchronisation notwendig

• DQPSK Empfänger realisiert durch Mach-Zehnder Interferometer gefolgt von Standard-Photodiode oder biploarem Empfänger (balanced receiver: zwei Photodioden mit Differenzverstärker)

T

_S ⁺^π^/4

−π^/4

s

_BP

(t)

^

balanced receiver

b

_R

^

b ^

_I

Standardentscheider Empfangs-

signal

Standardentscheider

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 8

L N T

Experimenteller Empfängeraufbau für 20Gb/s RZ-DQPSK

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 9

L N T

Gliederung

• Zusammenfassung

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 10

L N T

Messaufbau: 3x10GSymbol/s über 100km bei 25GHz für RZ-DQPSK, DB und NRZ-ASK

Danksagung an die Firma Nettest

zur Bereitstellung des Filters zur Kanaltrennung

100km SSMF

B_3dB=0,2nm

MOD2 MOD1

RX / BER Booster

Coupler

100%

f₂ DCF

f₃ f₁

f₂ f₁

f₂

f₃

P_ch

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 11

L N T

Simulationen: 8x40Gb/s über 4x100km bei 0,8b/s/Hz

6,3dBm 3,3dBm

Eingangslstg./Kanal bei EOP=2dB

FWM ~ P²_ch/ ∆f⁴ XPM ~ P_ch/ ∆f²

WDM-Übertrg. begrenzt durch

RZ-DQPSK DB

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 1 2 3 4

5 WDM 50GHz, dispers ionsoptimie rt

mittl. Eingangs le is tung pro Kanal [dBm]

eye opening penalty [dB]

RZ-DQP S K DB

3dB

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 12

L N T

Gemessene WDM Spektren bei 25GHz Abstand

• WDM-Übertragung mit 0.8b/s/Hz für nx10Gb/s Duobinär erfordert Demux-Filter mit ca. 12,5GHz Bandbreite (bisher kommerziell nicht erhältlich)

• Mit bestehenden optischen Filtern ist hohe spektrale Effizienz mit RZ-DQPSK durch Verdopplung der Datenrate einfacher zu erzielen

-60 -40 -20 0 20 40 60

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

f [GHz]

power spectrum [dB]

-60 -40 -20 0 20 40 60

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

f [GHz]

power spectrum [dB]

-60 -40 -20 0 20 40 60

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

f [GHz]

power spectrum [dB]

3x10Gb/s NRZ-ASK 3x10Gb/s Duobinär 3x20Gb/s RZ-DQPSK

0.4b/s/Hz 0.8b/s/Hz

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 13

L N T

Gliederung

• Zusammenfassung

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 14

L N T

RZ-DQPSK bei 0.8b/s/Hz mit 6dBm pro Kanal

• 3dB receiver penalty für WDM-Übertragung über 100km bei 6dBm Eingangsleistung pro Kanal (Übereinstimmung mit Simulation)

-38 -36 -34 -32 -30 -28

1 e -4

1 e -5

1 e -6 1 e -7 1 e -8 1 e -9 1 e -10 1 e -11

re c e ive d p o we r [dBm]

BER

b2b, s ingle c h.

b2b, WDM

100km, s ingle c h.

100km, WDM

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 15

L N T

Duobinär bei 0.4b/s/Hz mit 10dBm pro Kanal

• 3dB receiver penalty für 0,4b/s/Hz WDM-Übertragung über 100km bei P_ch=10dBm

• Bei Extrapolation auf 0,8b/s/Hz: Penalty ~ P_ch/ ∆f²

∆f halbieren P_ch vierteln (-6dB)

P_ch =10dBm – 6dB = 4dBm (Übereinstimmung mit Simulation)

-36 -34 -32 -30 -28

1 e -4

1 e -5

1 e -6 1 e -7 1 e -8 1 e -9 1 e -10 1 e -11

BER

b2b, s ingle c h.

b2b, WDM

100km, s ingle c h.

100km, WDM

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 16

L N T

NRZ-ASK bei 0.4b/s/Hz mit 10dBm pro Kanal

• 3dB receiver penalty für 0.4b/s/Hz WDM-Übertragung über 100km bei 10dBm Eingangsleistung pro Kanal

-38 -36 -34 -32 -30

1 e -4

1 e -5

1 e -6 1 e -7 1 e -8 1 e -9 1 e -10 1 e -11

BER

b2b, s ingle c h.

b2b, WDM 100km, b2b 100km, WDM

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 17

L N T

Augendiagramme in Simulation und Messung

nach WDM-Übertragung bei 25GHz Kanalabstand über 100km SSMF

0 50 100 150 200

-6 -4 -2 0 2 4 6 8

x 10^-5

t [p s ]

ma x=0.0548 mW re c =0.05 mW

0 50 100 150 200

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 10^-4

t [ps]

ma x=0.128 mW re c =0.116 mW

0 50 100 150 200

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 10^-4

t [ps]

ma x=0.169 mW re c =0.151 mW

10Gb/s NRZ-ASK 10Gb/s Duobinär 20Gb/s RZ-DQPSK, Real

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 18

L N T

Getrennter Einfluss der begrenzenden Effekte

-32dBm -31dBm

-34,5dBm Empfängerempfindlichk.

(b2b 1-kanalig bei 10^-9)

1,0dB 1,5dB

1,0dB SPM

1,8dB 2,5dB

2,8dB SPM+XPM+FWM

3,0dB 0,2dB

NRZ-ASK 3x10Gb/s

1,0dB 0,5dB

lineares Übersprechen

2,8dB 3,0dB

lin.+nichlin. Effekte

RZ-DQPSK 3x20Gb/s DB

3x10Gb/s

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 19

L N T

Wesentliche Ergebnisse der WDM-Messungen

• RZ-DQPSK höhere Empfängerempfindlichkeit als DB trotz doppelter Datenrate (kann durch schmales optisches ASE-Rauschbegrenzungsfilter um weitere 3dB verbessert werden)

• Stärkerer Einfluss des linearen Übersprechen bei RZ-DQPSK als bei DB und NRZ-ASK (durch doppelte Datenrate und RZ statt NRZ-Pulsform)

• Starker Einfluss von SPM bei DB

• RZ-DQPSK tolerant gegenüber nichtlinearen Fasereffekten

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 20

L N T

Gliederung

• Zusammenfassung

(21)

C. Wree, DFG, 07.10.03, 21

L N T

Messaufbau zur optischer Filterung von RZ-DQPSK

• Optisches Filter mit variierender Bandbreite vor dem Empfänger P

ATT 250GHz

MZ DI EDFA

BERT CDR

MZM PM

MZM

RZ-Puls- shaping

20Gb/s RZ-DQPSK 10GHz

T±π/4

+-

PRBS₁ PRBS₂

9, 22, 59GHz

10Gb/s RZ-DPSK

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 22

L N T

Filterverläufe und RZ-DQPSK Spektrum

-60 -40 -20 0 20 40 60

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

fre q ue ncy [GHz]

transfer function / power spectrum [dB]

Bw=59GHz

Bw=22GHz

Bw=9GHz

s ig. s p e c .

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 23

L N T

RZ-DQPSK robust gegenüber starker Bandbegrenzung

• Nur 3,5dB rec. penalty für 20Gb/s RZ-DQPSK gefiltert mit 9GHz Bandbreite

-34 -32 -30 -28 -26

-4

-5 -6 -7 -8 -9 -10 -11

re c e ive d s ignal powe r [dBm]

log10(BER)

9GHz

59GHz

22GHz

3,5dB

Augendiagramme

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C. Wree, DFG, 07.10.03, 24

L N T

Zusammenfassung

• Experimenteller Vergleich von RZ-DQPSK und Duobinär zeigt:

– RZ-DQPSK besitzt höhere Toleranz gegenüber Rauschen verglichen mit DB – Hohe Toleranz von RZ-DQPSK gegenüber nichtlinearen Effekten erlaubt 3dB

höhere Leistung pro Kanal im Vergleich zu DB

– Hohe spektrale Effizienz mit bestehenden optischen Filtern leichter mit RZ- DQPSK als mit DB zu erzielen (Verdopplung der Datenrate)

• RZ-DQPSK sehr robust gegenüber starker optischer Filterung (vorteilhaft in zukünftigen optischen Netzen mit vielen optischen Filtern und Schaltern)

• Vorteile von RZ-DQPSK sind nur mit gleichzeitig höherem Realisierungsaufwand im Vergleich mit DB zu erzielen:

– Komplizierter Vorcodierer

– Zusätzliche Phasenmodulator

– Optisches Mach-Zehnder Demodulator mit 2 bipolaren Empfängern